污泥冻融循环过程中的脱水性能及基于COMSOL Multiphysics的水热耦合分析

作     者：郭子瑞 池日光 辛海龙 公绪金 彭兆洋 陈志强 GUO Zirui;CHI Riguang;XIN Hailong;GONG Xujin;PENG Zhaoyang;CHEN Zhiqiang

作者机构：哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院哈尔滨150023 哈尔滨工业大学建筑设计研究院哈尔滨150090 哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室哈尔滨150090 

出 版 物：《环境工程》 (Environmental Engineering)

年 卷 期：2024年第42卷第12期

页      面：174-183页

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

基　　金：黑龙江省自然科学基金联合引导项目(PL2024E017) 2023年度哈尔滨商业大学“青年科研创新人才”培育计划(2023-KYYWF-0986) 

主　　题：市政污泥 冻融循环 脱水性能 响应曲面 COMSOL Multiphysics 水热耦合分析 

摘      要：污泥经过缓慢冻结后再解冻,通常会大大改善自身的脱水性能。基于冻融循环法对城市污泥脱水效果进行了考察,采用响应曲面法,以污泥冻融温度(℃)、冻融时长(h)及冻融次数(次)为因变量,污泥含水率(%)为响应值,通过Box-Behnken中心组合设计法建立数学模型。结果显示:当冻融温度为-16.30℃,冻融时长为19.70 h和冻融次数为19次时,模型预测的最小污泥含水率为33.93%,模型R^(2)0.99,模型吻合度较好,说明响应曲面法用于优化冻融循环过程中调理污泥理化性质,改善脱水性能是可行的。污泥内部的水热过程是影响污泥资源化利用以及水资源利用的重要因素,传统的水热耦合理论模型忽略了非饱和介质中水分对流传热作用,在水分场与温度场耦合理论模型的数值实现上仍有困难。通过有限元模拟软件建立污泥冻融循环模型,以实验数据为基础,通过COMSOL Multiphysics的数学模块,实现考虑冰水相变和水分对流的温度场和水分场偏微分方程的耦合求解,分析了污泥水分对流与温度变化的关系。并通过场发射扫描电镜分析冻融前后污泥絮体微观结构和孔隙变化,为污泥冻融处理在优化污泥脱水性能方面的应用提供依据。COMSOL Multiphysics的PDE模块可以较好地模拟冻融循环条件下污泥水-热耦合过程,考虑冰水相变以及水分对流迁移影响,为污泥资源化利用以及水资源利用相关数值模拟研究提供参考。